بعد جهود مكثفة وأبحاث مستفيضة توصل العلماء إلى نظرية تُعرف بميكانيكا الكم أو فيزياء الكم وهي أحد أبرز مجالات الفيزياء الحديثة التي تُعنى بدراسة خصائص المادة والطاقة وتأثيراتهما عند المقاييس الذرية ودون الذرية حيث يتم التعبير عن هذه المقاييس بوحدة النانومتر والتي تُعادل (1×10-9 متر.)
تقوم هذه النظرية على استكشاف السلوك الديناميكي للذرات بعناصرها الأساسية من إلكترونات وبروتونات ونيوترونات مع التعمق في تحليل الجسيمات الأولية الأصغر حجمًا التي تُعرف بالكواركات “Quarks” سواء كانت في حالة ترابط ضمن الجسيمات الأكبر أو في حالة حرة.
مفهوم الكم في علم الكيمياء
- يُعتبر فرع كيمياء الكم (Quantum chemistry) أحد المجالات المتقدمة في الكيمياء النظرية ويُعرف بتفاصيله الدقيقة وتعقيداته العلمية.
- يركز هذا المجال على تحليل السلوك الكيميائي للذرات والجزيئات أثناء التفاعل الكيميائي مع الاهتمام بدراسة الأجسام متناهية الصغر التي تقل في حجمها عن الذرة.
- تمت تسميته بنظرية الكم نظرًا لاعتماده على الأعداد الكمية التي تُعبر عن نواتج رياضية تُحدد طبيعة وحجم المدارات الإلكترونية التي تتحرك فيها الإلكترونات.
- صنف العلماء كيمياء الكم ضمن الفروع الرئيسة للكيمياء الحاسوبية نظرًا لاعتمادها الكبير على الحواسيب المتقدمة في إجراء العمليات الحسابية الدقيقة.
- ساهمت في فهم طبيعة الذرات والجزيئات وتوضيح سلوكها عبر إثبات أن مستويات الطاقة داخل الذرات غير متصلة بل تأخذ توزيعات محددة وفق أنماط رياضية دقيقة.
نشأة وتطور ميكانيكا الكم
تُقدم نظرية الكم “ميكانيكا الكم” مجموعة من المبادئ الأساسية التي اعتمد عليها العلماء في ربط الظواهر الفيزيائية ببعضها من أجل الوصول إلى فهم دقيق لطبيعة الذرات والجزيئات والتي تشمل المفاهيم التالية.
السلوك الموجي للجُسيمات في العالم الكمّي
- مع بداية القرن العشرين، بدأ العلماء في دراسة طبيعة الضوء وسلوكه من خلال تسخين غازات داخل أنابيب زجاجية.
- ومِنْ هنا ظهر التساؤل حول سبب ظهور الضوء المنبعث من الغاز بعد عبوره عبر المنشور الزجاجي على شكل خطوط ضوئية مستقيمة بدلًا من أن يكون عبارة عن خطوط متباعدة وخافتة.
- وقد قدم العالم الفيزيائي “نيلز بور” تفسيرًا لهذا الأمر، موضحًا أن تركيب الذرة يشبه إلى حد كبير النظام الشمسي، بحيث توجد نواة في المركز.
- وتدور حولها الإلكترونات في مدارات محددة تمامًا كما تدور الكواكب حول الشمس، وعندما تتعرض المادة لدرجات حرارة مرتفعة،
- تكتسب الإلكترونات طاقة إضافية مما يسمح لها بالانتقال من مدار إلى آخر حول النواة نتيجة امتصاصها للطاقة الحرارية.
- وهذه الحركة تؤدي إلى إطلاق الإلكترونات للطاقة على شكل ضوء، وهو ما يُعرف علميًا بـ “القفزات الكمية”.
عدم وجود ارتباط بين الجزيئات المنفصلة
- العالم الدنماركي “نيلز بور” طرح فرضية تشير إلى أن الجزيئات تميل إلى الارتباط عندما تكون متجاورة، مما يُكسبها خصائص متشابهة ويجعلها تتصرف كوحدة متكاملة.
- إلا أن ميكانيكا الكم تؤكد أنه حتى عند فصل جزأين مترابطين ووضع كل منهما في موقع بعيد عن الآخر، فإن الخصائص الفيزيائية لهما تبقى متصلة دون أن تتأثر بالمسافة التي تفصلهما.
- وعند قياس خصائص أحد الجزأين، يظهر تأثره الفوري بالحالة التي يوجد عليها الجزء الآخر، مما يشير إلى نوع من الترابط العميق بينهما.
- كما أن النظرية أوضحت أن الإلكترون لا يدور حول نفسه بطريقة نمطية بل يتحرك وفق حالتين متزامنتين في الوقت نفسه.
- إحداهما تتوافق مع اتجاه عقارب الساعة، بينما تأخذ الأخرى الاتجاه المعاكس، مما يعكس الطبيعة الغامضة لسلوك الجسيمات على المستوى الكمّي.
الجهود العلمية التي أسست نظرية الكم
- مع مطلع القرن العشرين بدأ عدد من العلماء في وضع الأسس العلمية التي ساهمت في نشوء نظرية ميكانيكا الكم.
- كان من بين هؤلاء العلماء البارزين الذين لعبوا دورًا محوريًا في بلورة هذه النظرية كل من “ماكس بلانك، ألبرت أينشتاين، نيلز بور، وماكي بورن”.
- تمكن هؤلاء العلماء من تقديم تفسير دقيق للظواهر الفيزيائية على المستوى الذري حيث قاموا بتعريف الجسيمات الضوئية ومنحوها اسم “الفوتونات” خلال عام 1930 ميلادي.
- بعد تعاون بين “ديفيد هيلبرت، جون فون نيومان، وبول ديراك”، تم الإعلان عن نظرية الكم بشكل رسمي لتصبح واحدة من النظريات الأساسية في الفيزياء الحديثة.
- ساهمت هذه النظرية في ظهور مجالات علمية متطورة مثل كيمياء الكم وفيزياء الإلكترونيات.
- وفرت تفسيرات دقيقة للعديد من الظواهر بما في ذلك شرح خصائص العناصر الكيميائية وفق الجدول الدوري.
- قدمت فهمًا متعمقًا حول سلوك الذرات أثناء التفاعلات الكيميائية وآلية تكوّن الروابط الكيميائية، بالإضافة إلى الكيفية التي تتحرك بها الإلكترونات في الأجهزة الإلكترونية الحديثة.
الآثار المترتبة على ميكانيكا الكم
- أحدثت ميكانيكا الكم تغييرات جوهرية في فهمنا للطبيعة وأسهمت في إعادة صياغة العديد من المفاهيم العلمية واستفاد أينشتاين من مبادئ ميكانيكا الكم لشرح الظاهرة الكهروضوئية.
- إذ أوضح من خلالها كيف أن الضوء يسلك سلوك الموجات لكنه في ذات الوقت يتصرف كجسيم عند امتصاصه لطاقة عالية ومن هنا نشأ مفهوم “ازدواجية الموجة والجسيم” الذي أصبح أحد المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم واستمرت تأثيرات هذه النظرية في العديد من المجالات وظهرت تطبيقاتها بشكل واضح من خلال النقاط التالية:
- تكنولوجيا النانو.
- التصوير المجهري الإلكتروني والنووي.
- الحوسبة الكمومية.
- أنظمة الاتصالات الآمنة بناءً على مبادئ التشفير الكمومي.
- مجال الكيمياء الكمية ودورها في فهم التفاعلات الكيميائية على مستوى الذرات والجزيئات.
الأسس العلمية لميكانيكا الكم
- تتناول دراسة الظاهرة الكهروضوئية والتأثيرات التي تحدثها داخل علم الفيزياء مما ساهم في تطوير فهم أدق للمفاهيم الأساسية لهذا المجال.
- أدى هذا الدور إلى نشوء فرع علمي جديد يُعرف باسم “ميكانيكا الكم” حيث فتح آفاقًا غير مسبوقة وأسهم في حل معضلات جوهرية في الفيزياء مثل استقرار الذرة وآلية حركة الجسيمات المشحونة عند تحركها في مسارات دائرية.
تحليل طيف انبعاث ذرة الهيدروجين
- اعتمد العالم نيلز بور على مبادئ ميكانيكا الكم لتفسير ظاهرة انبعاث الطيف الخاص بذرة الهيدروجين حيث توصل إلى أن كل عنصر كيميائي يمتلك إشعاعًا مميزًا حتى في حال كانت شدته ضعيفة.
- عند تعريض غاز الهيدروجين لمصدر طاقة مرتفع فإنه يصدر إشعاعًا متوهجًا يظهر بلون أزرق نتيجة انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة المختلفة.
التعرف على ظاهرة كومبتون واكتشافها
- الباحث الفيزيائي “آرثر كومبتون” استمر في دراسة فيزياء الكم متابعًا النهج الذي وضعه “بور” حتى توصل إلى أن الفوتونات تمتلك صفات تشبه الجسيمات حيث تتميز بطاقة وزخم محددين.
- أطلق على هذه الظاهرة اسم “تأثير كومبتون” وكان لهذا الاكتشاف تأثير كبير في المجال العلمي مما أدى إلى حصوله على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1927 ميلادي.
التطور العلمي في اكتشاف المجهر الإلكتروني
- عندما قام العالم الفرنسي لويس دي بروي بابتكار المجهر الإلكتروني، تمكن من اكتشاف أن الإلكترونات تسلك سلوك الموجات الضوئية عندما تمر عبر فتحات دقيقة.
- هذا الجهاز أتاح إمكانية رصد حركة الجسيمات داخل الخلايا التي تمتاز بأحجامها بالغة الصغر، مما شكل قفزة علمية غير مسبوقة.
- نتيجة لهذا الابتكار، حاز بروي على العديد من الجوائز العلمية وكان من أبرزها جائزة نوبل في عام 1929 ميلادي.
مجالات تطبيق نظرية الكم
أظهرت نظرية الكم دورًا محوريًا في تفسير سلوك الذرات وطريقة تفاعلها مع بيئات مختلفة في المجالات العلمية كما ساهمت بشكل كبير في تطوير العديد من التطبيقات التي ساعدت في فهم الظواهر الفيزيائية بدقة أعلى ومن أبرز هذه المجالات:
- التقنيات المستخدمة في التصوير بالرنين المغناطيسي حيث تستند هذه التقنية إلى المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم لتحليل التغيرات الفيزيولوجية داخل جسم الإنسان.
- الأجهزة مثل المجهر الإلكتروني والترانزستورات والدايودات التي تعتمد على الخصائص الكمومية للإلكترونات وطريقة تفاعلها مع المادة لتشغيل الدوائر الإلكترونية.
- الوسائط التخزينية المستخدمة في الهواتف الذكية التي تعتمد على الظواهر الكمومية مثل تأثير النفق الإلكتروني لضمان نقل البيانات بكفاءة عالية.
- الاعتماد على تقنيات الاتصال الكمي لتحقيق نقل البيانات عبر مسافات طويلة باستخدام ظاهرة التشابك الكمومي مما يتيح وسائل اتصال أكثر أمانًا.
- تفسير الظواهر الفيزيائية التي لم يكن من الممكن فهمها سابقًا مثل استقرار المدارات الذرية للإلكترونات وآلية انبعاث الإشعاع من الأجسام السوداء.
- البحث في ظاهرة التدفق الفائق للسوائل عند درجات حرارة منخفضة للغاية تقترب من الصفر المطلق ومتابعة كيفية تحركها دون أي مقاومة أو احتكاك.
- تحسين تقنيات أنظمة الحوسبة الكمومية المستخدمة في الحواسيب المتقدمة مما أتاح تنفيذ حسابات معقدة بسرعات غير مسبوقة.
- تطوير آليات الحوسبة الكمومية التي أصبحت الآن مُستخدمة في مجالات مختلفة مثل الأمن السيبراني والذكاء الاصطناعي والخدمات اللوجستية وتطوير الأدوية.
- استكشاف العمليات البيولوجية المعقدة مثل آلية البناء الضوئي التي تُساعد النباتات والكائنات الحية الأخرى في إنتاج الطاقة إلى جانب دراسة مستقبلات الروائح في الأنف وتحليل البنية الجزيئية للبروتينات.
